大型石化企业蒸汽动力系统运营优化

1、大型石化企业蒸汽动力系统运营优化.txt如果有来生，要做一棵树，站成永恒，没有悲伤的姿势。一半在土里安详，一半在风里飞扬，一半洒落阴凉，一半沐浴阳光，非常沉默非常骄傲，从不依靠从不寻找。大型石化企业蒸汽动力系统运营优化.txt人永远不知道谁哪次不经意的跟你说了再见之后就真的再也不见了。一分钟有多长？这要看你是蹲在厕所里面，还是等在厕所外面 本文由tiant0928贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2009 年 5 月 石 油 炼 制 与 化 工 PET RO L EU M PRO CESSIN G A N D PET R OCH EM

2、ICA L S 第 40 卷第 5 期 大型石化企业蒸汽动力系统运营优化 罗向龙 , 张高博 , 王 1 2 智 , 华 3 贲 2 ( 1. 广东工业大学材料与能源学院, 广州 510006; 2. 华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室; 3. 中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司 摘要 针对大型石化企业蒸汽动力系统( SPS 具 有多个动力产汽点 且距离较远、 动力产汽点 各 产供汽参数和成本不同的特点, 在传统 SPS 能量 转换环节运营优化 的基础上, 提出 SPS 能量转换环 节和传输环节集成优化的策略, 建立大型石化企业 SPS 能量转换环节和能量传输环节集成运营优化 的混

3、合整数线性规划( M IL P 模型; 对某大型石化企业蒸汽动力系统建立模型并求解得到了产汽成本和 传输费用综合最优的优化运营方案, 与原有的计划运行方案相比, 优化运营方案可节约运行成本 2.8%。 关键词: 蒸汽动力 系统 优化 运营 1 前 言 营费用最小为目标, 目标函数见式( 1 , 其中总费用 包括全公司所有动力产汽锅炉燃料消耗费用、 SPS 水处理费用、 全公司所有动力 产供汽设备维 护费 用、 外购电费用。 M in QB J = t T ( i Et BUY 蒸汽动力系统( SP S 作为过程工业的重要组 成部分, 在为企业提供保质保量的蒸汽和动力的同 时, 本身也是耗能大户

4、, 它的安全、 稳定、 高效运行 是企业长周期、 经济 运行的基础。大型石化企业 SPS 除了具有多工艺产汽点、 多工艺用汽点、 多压 力等级外, 还具有多动力产汽点。工艺产汽点、 工 艺用汽点、 动力产汽点之间形成了错综复杂的产供 汽网络。SP S 运营优 化一直是研 究的热点, 包括 SPS 的多周期运营优化 1 3 、 集成管网模拟考虑管 线损失的运营优化 4 、 优化运营软件的开发 5 6 等。 然而这些研究主要侧重于能量转换环节的优化, 很 少同传输环节集成考虑。大型石化企业一般由炼 油分厂及几个大的化工分厂组成, 各分厂之间距离 较远, 各分厂动力产汽设备的型号、 燃料、 水系统循

5、 环类型不同, 产供汽成本有较大差异, 各厂的蒸汽互 供和互备存在很大的优化潜力。然而各厂之间的长 距离和管道的输送能力限制了各厂之间的蒸汽和动 力的互供和互备潜力的发挥。因此大型石化企业蒸 汽动力的优化应该从全局出发, 在安全稳定的前提 下, 以 SPS 的转换环节的转换经济性和传输环节的 传输损失的综合最优为目标实施运营优化, 以提高 整个 SPS 的经济性。本课题在以往 SPS 能量转换 环节优化工作的基础上, 建立 SPS 能量转换环节和 能量传输环节集成优化模型, 并进行详细案例分析。 2 SPS 优化运营模型 2. 1 目标函数 大型企业 SPS 运营优化以全公司 SP S 年总运

6、 I b B k K F i bkt f k + n N W nt w + ( 1 e P t + t T n N On Y nt + S n ( 1- Yn t 式中, OBJ 为目标函数值, 即年总运营费用; T 为 周期集合; I 为分厂集合; B 为锅炉集合; K 为燃料 集合; N 为 SPS 设备集合; F 为燃 料消耗量, t / h; f 为燃料单价, 元/ t; W 为 SPS 设 备耗水 量, t / h; w 为给水单价, 元/ t ; E 为电量, M W ! h; e 为电单 价, 元/ ( MW ! h ; 上标 BU Y 表示外购; P 为周期 时间, h; O

7、为设备运行时的维护费用, 元; S 为设备 停运时的维护费用, 元; Y 为表征设备是否运行的 二元变量。 2. 2 工艺需求能耗模型 工艺装置对 SPS 的蒸汽和动力的需求会随着 工艺装置的生产计划和生产规模的变化而变化, 因 此必须从工艺装置变工况能耗模型出发才能更准 确地确定各种工况下各分厂蒸汽和动力的需求。 D iur t = ( iur + iurt Z iut + iur Yi ut i I , u U, r R, t T DEM ( 2 收稿日期: 2008 11 10; 修改稿收到日期: 2009 01 08。 作者简介: 罗向 龙, 讲师, 博士。主要 从事 过程工 业能量

8、系统 集成建模优化及应用的研究工作。 基金项目: 广东工业大学博士基金( 083009 。 第5期 罗向龙等. 大型石化企业蒸汽动力系统运营优化 49 E DEM = ( ! + ? Z iut + # Y iut iut iu iut iu i I, u U, t T ( 3 和互备的最主要制约因素便是各厂之间的连接管道 参数, 即要保证供汽参数满足用户的要求。式( 10 表示管道流量的范围。 D M rIN ? D ij r t ? D MAX ij ij r i、 j I, i # j D MIN ? D j irt ? D M AX j ir j ir ( 10 式中, 上标 DEM

9、表示需求; U 为工艺设备集合; R 为蒸汽等级集合; D 为蒸汽量, t / h; 为工艺装置 固定蒸汽单耗, t/ t ; 为工艺装置蒸汽单耗变化量, t/ t; U 为工艺设备集合; Z 为工艺装置运行负荷, t/ h; 为工艺装置蒸汽能耗模型常数项, t / h; !为工艺 装置固定动力单耗, ( M W ! h / t ; ?为工艺装置驱 动单耗变化量, ( MW ! h / t ; #为工艺装置驱动能 耗模型常数项, MW ! h。 2. 3 锅炉 运行模型 ( ? Y ibt + % D ibt ( &H + ? &h = ib ib ib i I, b B, t

10、 T F ibkt q k K ( 4 式中, D ij rt 表示周期 t 从分厂 i 到分厂 j 的蒸汽等 级为 r 的蒸汽管道流量, t / h; D j irt 表示周期 t 从分 厂 j 到分厂 i 的蒸汽等级为 r 的蒸汽管道流量, t / h; 上标 M IN 代表最小; MAX 代表最大。 2. 9 SPS 蒸汽平衡约束 蒸汽动力系统输入各等级的蒸汽量( 包括外购 的蒸汽量 减去输出该等级的蒸汽量应该不小于该 等级的工艺装置蒸汽需求量。 b B k 式中, ? %为 锅炉 模 型系 数; &H 为蒸 汽焓 增 量, 、 kJ/ kg; ?为锅炉排污率, % ; &

11、;h 为排 污水焓增量, kJ/ kg; q 为燃料低位发热量, kJ/ kg。 2. 4 锅炉运行负荷约束 i I, b B, r R, t T ( 5 式中, (为锅炉最小运行负荷, t/ h; 为锅炉最大运 行负荷, t / h。 2. 5 E GEN imt i ib ( b Y ibr t ? D ibr t ? Y ibr t D ibrt + L j I, j # i ( D j irt - D ij rt + m M ( D OUT - D IN t + imrt imr I, r R, t T ( 11 l ( D OU T - D INt ?u UD DEM ilrt il

12、r iurt i 式中, L 为减温减压器集合。 2. 10 电需求约束 汽轮机产生的电力和外购电力之和应大于或 者等于工艺系统总电力需求量。 i I m M 汽轮机运行模型 = ? Y imt + im r R E imt + E t GEN BUY i I u U E iut DEM t T ( 12 + rD im OU T imr t i I, m M,t T ( 6 式( 1 式( 12 与各分厂设备性能模型、 设备 5 负荷约束模型 组成了大型石化企业 SPS 运营优 化的混合整数线 性规划模 型( MIL P 。根据建 立 的模型开发考虑不同产用汽点蒸汽供应和备用蒸 汽动 力 系

13、 统 多 周 期 运 营 优 化 模 型 SPSOpt i 。 SPSOpt i 是图 1 所示的炼油企业计划排产与能量 综合集成建模和优化结构的重要组成部分。通过 与计划排产软件 OpT echP lan 的有机集成, 获得 运营计划方案对应的蒸汽和动力的需求, 实现全公 司从计划排产到能量系统的集成优化, 且可以随着 生产计划的变化和一次能源价格的变化及时调整蒸 汽动力系统的运营计划或者调度方案, 保证在各种 7 6 式中, 上标 GEN 表示发电; 上标 OU T 表示排汽; M 为汽轮机集合; ? +为汽轮机模型系数。 、 2. 6 r R 汽轮机质量平衡方程 D imrt = IN

14、r R D imr t OUT i I, m M,r R, t T ( 7 式中, 上标 IN 表示进汽。 2. 7 汽轮机运行负荷约束 , r Y imt ? D IN rt ? ? Y im t im im imr . r Yimt ? DOUrtT ? / imr YOimt im im i i I, m I, m M, r M, r R, t T ( 8 R, t T ( 9 式中, ,为汽轮机进汽最小负荷, t / h; ?为汽轮机进 汽最大负荷, t/ h; .为汽 轮机排汽 最小负荷, t / h; / 为汽轮机排汽最大负荷, t / h。 2. 8 厂际之间供汽能力约束 大型石

15、 化企业存在多个工艺产汽点和动力产 汽点, 而各个动力产汽点产汽成本不同、 运营状况 不同、 备用负荷也不同, 因此各分厂之间正常工况 蒸汽互供和变工况下互备存在优化潜力。而互供 图 1 计划排产与能量综合集成结 构示意 50 石 油 炼 制 与 化 工 2009 年 第 40 卷 生产计划方案和一次能源价格变化条件下实现全 公司能量系统的最优运营。 3 案例分析 3. 1 案例描述 某大型石化企业由热电分厂( RD 、 化工分厂 ( PA, PB, PC, PD 组成, 其 SP S 超结构流程示意见 图 2。热电分厂设置 8 炉 8 机, 承担全公司主要供 汽和供电任务; 化工分厂 PA,

16、 PB, PC 分别设置不 同型号动力锅炉和发电汽轮机, 在热电分厂( RD 的保障下向各分厂供应蒸汽和电力; 化工分厂 P D 内部没有动力锅炉和汽轮机, 其全部蒸汽和电力由 热电厂供应。各分厂产汽锅炉所产蒸汽等级不同, 采用的燃料不同, RD 和 PA 分厂锅炉产高压蒸汽, 燃料为煤; PB 分厂锅炉产高压蒸汽, 燃料为按一定 比例混合的石油焦和煤; PC 分厂锅炉产中压蒸汽, 燃料为水煤浆。各分厂锅炉产汽成本和汽轮机运 行效率差别较大, 特别是当各种燃料市场价格波动 较大时, 这种差别更加明显, 各分厂锅炉和汽轮机 存在较大运营节能潜力, 另外从热电分厂到各化工 分厂的蒸汽管道较长, 损

17、失也较大, 因此有必要从 全公司的角度出发建立运营优化模型, 从产供汽成 本和传输损失两 方面权衡确定 最优产供汽方案。 该企业全年可分为冬、 夏两个典型的运行周期, 各 周期各分厂各等级蒸汽需求见表 1。 图2 某石化企业 SPS 超 结构流程示意 表 1 冬、 夏两季各分厂各等级蒸汽需求 分厂 PA PA PB PB PC PD PD PD 蒸汽压力 等级/ M Pa 4. 10 1. 37 4. 30 1. 00 1. 00 4. 10 1. 40 1. 00 蒸汽需求/ t ! h- 1 夏季 342 136 88 76 119 177 198 57 冬季 349 166 90 257

18、 175 182 225 115 SPSOpt i 得到最优的锅炉、 汽轮机、 管道 的运行方 案。各分厂锅炉冬、 夏两季当前运行方案和最优运 行方案对比见图 3, 各分厂汽轮机冬、 两季当前 夏 运行方案和最优运行方案对比见图 4。由图 3 和 图 4 可以看出, 最优运行方案 与当前运行方 案相 比, 锅炉、 汽轮机运营负荷变化较大, 其主要原因是 最优方案充分挖掘了各分厂动力锅炉产汽成本存 在较大差别的优化潜力。 各分厂动力锅炉的产汽参数和产汽成本见表 2。 从表 2 可以看出, 热电分厂产汽成本最小, 化工分 厂 PC 产汽成本最大且产汽压力等级最低。从成 本对比可知, 应该优先运行分

19、厂 RD 和 PA 的锅炉, 3. 2 优化结果与讨论 根据上述模型, 应用 SPS 优化运营软件平台 第5期 罗向龙等. 大型石化企业蒸汽动力系统运营优化 51 而在厂际管线供应能力范围内, 尽量降低分厂 P B 和 PC 锅炉供汽量或者停运这两个厂的 产供汽设 备, 如图 3 中的锅炉最优运行方案。 表 2 各分厂锅炉平均产汽成 本 分厂 RD PA PB PC 蒸汽压力等级/ M Pa 9. 8 9. 8 9. 8 3. 5 产汽成本/ 元 ! t - 1 148 152 231 287 厂际之间蒸汽管线参数和优化前后管线蒸汽 图 3 冬、 夏两季各分厂动力锅炉的当前运行方案 和最优运行

20、方案对比 % & 夏季最优运行方案; ? & 夏季当前运行方案; ( & 冬季最优运行方案; & 冬季当前运行方案 流量对比见表 3。由于各分厂锅炉和汽轮机运行 方案发生了较大变 化, 厂际之 间蒸汽管线的 流量 也进行了相应的优化调整, 通过厂际之间的互供, 在保证供汽安全稳定的条件下尽量运行产汽成本 低的锅炉, 实现全公司蒸汽动 力系统的最大 经济 效益。 由 SPS 优化运营软件平台 SPSOpt i 得出当前 运营方案全年总运营费用为 495 984 万元, 优化的 运营方案全年运营费用为 482 060 万元, 全年节约 运营费用 13 924 万元,

21、 占总运营费用的 2. 8% 。 蒸汽动力系统的优化运营思路和软件对蒸汽 动力系统的实际 运营优化具有 非常重要的意义。 本课题提出的优化运营思路和运营方案已经得到 石化企业的认可, 并且针对系统的不足, 以优化运 营方案为指导, 提出了一系列的改造方案, 如改造 CFB 锅炉以提高燃料的适用范围、 分厂内部管网 优化改造、 分厂之间管道改造等, 最大限度挖掘全 公司的节能潜力。通过该案例分析, 针对大型石化 优化前流量/ t ! h- 1 夏季 50 75 0 79 0 177 198 57 冬季 50 75 110 85 50 182 226 78 优化后流量/ t ! h夏季 0 88

22、76 119 0 177 198 57 图4 冬、 夏两季各分厂动力汽轮机的当前运 行方案 和最优运行方案对比 % & 夏季最优运行方案; ? & 夏季当前运行方案; ( & 冬季最优运行方案; & 冬季当前运行方案 表3 管道 P1( RD ? PA P2( R D ? PB P3( R D ? PB P4( PB ? PC P5( R D ? PC P6( R D ? PD P7( R D ? PD P8( R D ? PD 蒸汽压力 等级/ M Pa 4. 30 4. 30 1. 45 1. 00 1. 45 4. 30 1. 45 1. 00 厂际之间蒸

23、汽管线参数和优化前后流量对比 长度/ km 5. 01 5. 98 7. 00 7. 50 2. 50 3. 36 3. 42 4. 87 最大流量/ t! h- 1 1 冬季 0 90 130 155 20 182 226 78 1451 130 155 80 240 250 120 1 P1 和 P2 两条管道的最大流量之和。 企业 SPS 实际运营现状提出以下建议: + 大型石化 企业 SPS 实施集中统一 管理, 各分厂成本单独核 算; , 经常对各分厂产供汽设备进行性能分析, 根 据原材料市场价格变化实时核算各分厂产供汽成 本, 应用运营优化软件指导实际运营过程; ? 在优 化运营方

24、 案指导下, 敷设厂际之间管线, 发挥厂际 之间蒸汽互供、 互备优势, 进一步提高全公司 SPS 各种工况下的运行经济性和安全稳定性。 52 4 结 论 石 油 炼 制 与 2 3 化 工 2009 年 第 40 卷 鄢烈祥, 胡晟华, 麻德贤. 锅炉蒸汽 系统多操作周 期的优化调 度 J . 化工学报, 2003, 54( 12 : 1708 1712 罗向龙, 华贲, 张冰剑. 石化企业蒸 汽动力系统的 多周期运行 优化 J . 计算机与应用化学, 2006, 23( 1 : 41 45 罗向龙, 华贲, 张冰剑. 基于管网模 拟的蒸汽动力 系统多周期 运行优化 J . 石油学报( 石油加

25、工 , 2006, 22( 5 : 56 62 罗向龙. 炼油企业蒸汽动力系统运营与设计优化研究 D . 广 州: 华南理工大学, 2007 罗向龙, 华贲. 炼 油厂蒸汽 动力系 统优化 运营软 件设计 与开 发 J . 计算机与应用化学, 2006, 23( 12 : 1245 1249 张冰剑, 华贲, 罗 向龙, 等. 炼油企 业全厂 生产计 划系统 设计 与开发 J . 计算机与应用化学, 2006, 23( 11 : 1053 1056 针对大型石化企 业 SP S 的特点, 建立了 SPS 的优化运营 MIL P 模型, 实现了 SPS 能量转换环 节和能量传输环节的集成; 案例

26、研究结果表明, 通过 实施运营管理优化, 可为企业节约运营费用 2. 8% 。 4 5 参 1 考 文 献 6 Iyer R R , G rossm ann I E. O ptim al mu lt iperiod operat ional plannin g f or ut il ity sys t ems J . Comput C hem En gng, 1997, 21( 8 : 787 800 7 OPERATIONAL MANAGEMENT OPTIMIZATION OF STEAM POWER SYSTEM IN LARGE PETROCHEMICAL ENTERPRISE L u

27、o Xiang long 1 , Zhang Gaobo 2 , Wang Zhi3 , H ua Ben2 ( 1. School of M ater ial and Ener gy , Guang dong Univer sity of T echnology , Guang z hou 510006; 2. K ey L ab of E nhanced H eat T r ansf er and Energ y Conser vatio n, M inistr y of Ed ucation of China, S outh China Univer sity of T echnolog

28、y ; 3. S I N OPEC Qilu Comp any Abstract T he st eam pow er syst em s ( SPS in large petro chemical enterprises are usually com po sed of sev er al pow er plants and t he pot ent ial of o peratio nal manag em ent optim izat ion under current ener gy resour ces exists. In t his paper, t he charact er

29、ist ic o f SPS in a larg e pet ro chem ical ent er prise w as anal yzed and an opt im ization st rat eg y w as present ed. In t his st rat eg y t he energ y co nv ersion and energy t ranspo rt at ion w ere int egrat ed t o m inimize t he generat ion and t ranspor tat ion co st of steam and pow er. A mix ed integ er linear prog ramming ( M IL P m odel for mult iperiod op